Bewertung von dezentralen Techniken zur Strom- und Wärmeerzeugung (KWK) aus Biomasse in kleinen Leistungsbereichen

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1 Bewertung von dezentralen Techniken zur Strom- und Wärmeerzeugung (KWK) aus Biomasse in kleinen Leistungsbereichen Auftraggeber SGD Süd Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz, Abt. D Hauptstraße Trippstadt Auftragnehmer Institut für Innovation, Transfer und Beratung GmbH Leiter: Prof. Dr. G. Schaumann Bearbeiter/in: Dipl.-Ing. (FH) Christian Pohl Dipl.-Ing. (FH) Kerstin Kriebs Telefon: / Telefax: / Homepage: Projektnummer: 834 Datum: Dipl.-Ing. (FH) Kerstin Kriebs Dipl.-Ing. (FH) Christian Pohl Prof. Dr. G. Schaumann

2 -2- Inhalt Einleitung Vorstellung der Techniken Dampfturbinen Dampfmotor Holzvergaser-BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor Gegenüberstellung der Leistungsdaten Konzeption der technischen Systeme Konzeption der Dampfturbine SPM Konzeption des Dampfmotors Konzeption des Holzvergaser-BHKWs Konzeption der ORC-Anlage Konzeption des Stirlingmotors Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Wirtschaftlichkeit Dampfturbine Wirtschaftlichkeit Dampfmotor Wirtschaftlichkeit Holzvergaser-BHKW Wirtschaftlichkeit ORC-Anlage Wirtschaftlichkeit Stirlingmotor Gegenüberstellung der technischen Systeme Gegenüberstellung der Energiebilanzen Gegenüberstellung der Kohlendioxid-Emissionsbilanzen Gegenüberstellung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit Sensitivitätsbetrachtung Zusammenfassung Anhang...34 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis...36

3 -3- Einleitung Diese Studie untersucht dezentrale Techniken zur Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse in kleinen Leistungsbereichen. Die KWK-Anlagen werden nach dem technischen Entwicklungsstand, dem Einsatzbereich, der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit verglichen und bewertet. Es handelt sich um folgende technische System unter 1 MW el : Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser-BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor Die einzelnen Techniken werden mit den zugehörigen Anlagendaten und dem technischen Entwicklungsstand vorgestellt. Zum Vergleich der verschiedenen KWK-Anlagen werden beispielhafte Anwendungsfälle angenommen, auf denen eine Konzeption der jeweiligen Anlage mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basiert. In der Zusammenfassung werden die Ergebnisse der Untersuchung zusammengestellt.

4 -4-1 Vorstellung der Techniken Die technischen Systeme werden mit ihren Einsatzgebieten vorgestellt. Für alle Anlagen werden charakteristische Anlagendaten angegeben. 1.1 Dampfturbinen Zur Stromerzeugung aus Biomasse mit Dampfturbinen wird die Wärme, die bei der Biomasseverfeuerung entsteht, zur Dampferzeugung in einem Dampfkessel eingesetzt. Der Dampf wird einer Dampfturbine zugeführt, die mechanische Energie zum Antrieb eines Generators für die Stromerzeugung bereitstellt. Über einen Wärmetauscher steht Wärme zu Heizzwecken zur Verfügung. Außerdem kann Dampf ausgekoppelt werden, um Prozessdampf bereitzustellen. Zur Zeit wird ein Turbogenerator in einem Leistungsbereich von 500 kw el an der TU Dresden zusammen mit Industriepartnern u. a. AG KK&K entwickelt, der zu Biomasse-Kraft-Wärme- Kopplung eingesetzt werden soll. Zwischen Turbine und Generator befindet sich kein mechanisches Getriebe, sondern beide sitzen auf einer Welle, sodass der Generator direkt angetrieben wird. Mit einer Leistungselektronik wird die Drehzahl stufenlos geregelt, sodass auch bei Teillast eine optimale Drehzahl eingestellt werden kann. Aufgrund dessen wird ein um etwa 10 % verbesserter Wirkungsgrad im Teillastbereich erwartet. Durch die Einsparung eines Getriebes verringert sich zusätzlich der Platzbedarf der Anlage. Aufgrund des Brennstoffs Holz werden nicht der Druck und die Temperatur wie bei fossil befeuerten Dampfkesseln erreicht, sodass sich ein geringerer elektrischer Wirkungsgrad ergibt. Durchschnittlich erzielen solche Anlagen einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 25 %. Die Dampfturbinen in Kombination mit Biomassekesseln sind meist erst ab mehreren MW th Feuerungswärmeleistung wirtschaftlich. Der Dampfturbinenprozess stellt den Standard der Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit Biomasseverfeuerung dar. Er wird hauptsächlich in der holzverarbeitenden Industrie eingesetzt. Folgende Leistungsdaten weist ein Dampfturbinenprozess mit Biomassefeuerung auf: elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % thermischer Wirkungsgrad % Gesamteffizienz %

5 Dampfmotor Die bei der Biomasseverfeuerung entstehenden Rauchgase erzeugen Dampf in einem Kessel. Dieser Dampf strömt in den Dampfkolbenmotor, der durch Entspannung mechanische Arbeit verrichtet. Der Generator wandelt diese mechanische Arbeit in elektrische Arbeit um. Die Wärme aus der Kondensation des Dampfes kann als Fern- oder Prozesswärme eingesetzt werden. Im Gegensatz zum Dampfturbinenprozess sind beim Dampfkolbenmotor kleinere e- lektrische Leistungen ab etwa 20 kw el möglich, sodass sie zur dezentralen Energieversorgung in kleinen bis mittleren Leistungsbereichen eingesetzt werden können. Da sich nicht die hohen Drücke und Temperaturen wie bei konventionell befeuerten Dampfkessel einstellen, sind die Dampfparameter auf den Brennstoff Biomasse zu optimieren. Abbildung 1-1 Anlagenschema eines Dampfmotors mit holzbefeuerten Dampfkessel (Quelle: Spilling Energie System GmbH) Folgende Leistungsdaten charakterisieren einen Dampfmotor mit Biomassekessel: elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % thermischer Wirkungsgrad % Gesamteffizienz %

6 Holzvergaser-BHKW Als Brennstoff für das Blockheizkraftwerk wird Holzgas eingesetzt, das in einer Holzvergasung entsteht. Dazu werden Holzstücke, Sägespäne, Holzhackschnitzel oder brikettiertes Feinmaterial unterstöchiometrisch oxidiert. Die Vergasung läuft in mehreren Schritten ab. Zuerst verdampft das Wasser. Bei zunehmender Temperatur entweichen die flüchtigen Bestandteile im Holz. Die nicht verbrannte Holzkohle wird bei Temperaturen oberhalb von C vergast. Die übrigen Holzkohlepartikel werden aus dem Vergasungsprozess ausgetragen. Für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk ist eine Aufbereitung des Rohgases notwendig. Dazu wird das Rohgas gekühlt, entstaubt und getrocknet. Technische Schwierigkeiten bestehen noch durch den Teergehalt bei der Holzvergasung. Für den Einsatz in einem Motorheizkraftwerk sollte weniger als 50 mg Teer in einem m³ Holzgas enthalten sein. Um dies zu erreichen, werden moderne Vergasungsverfahren zur Reduzierung der Teerbildung eingesetzt. Mit einem katalytischen Reformer können die im Holzgas enthaltenen Teere in Brenngas umgewandelt werden. Im Holzgas befindet sich hauptsächlich Wasserstoff (H 2 ) und Kohlenmonoxid (CO) als Brenngas. Wenn der Wasserstoffanteil zu hoch ist, kann es zu einer klopfenden Verbrennung führen. Das langsam verbrennende Kohlenmonoxid hemmt in zu hoher Konzentration die Verbrennung. Das Holzgas wird zur Strom- und Wärmeerzeugung einem Motorheizkraftwerk zugeführt. Da für die Zündung eine bestimmte Menge Heizöl benötigt wird, erfolgt die Verbrennung des Holzgases in einem Zweistoffmotor. Alternativ kann auch ein Otto-Motor, der nur mit dem Holzgas betrieben wird, zum Einsatz kommen. Die vom Motor gelieferte mechanische Arbeit wird im Generator in elektrische Arbeit umgewandelt. Der erzeugte Strom kann entweder ins öffentliche Netz eingespeist oder zum Eigenverbrauch verwendet werden. Die Wärme der Abgase und des Motorkühlwassers ist über Wärmetauscher zu Heizzwecken einsetzbar. Eine weitere Nutzung erzielt der aus dem Vergasungsreaktor ausgetragene Holzkohlekoks, indem die Industrie daraus Holzpresskohle herstellt. Derzeit werden einige Versuchsanlagen betrieben. Auf dem Markt sind noch keine Holzvergaser-BHKWs erhältlich. Aufgrund dessen beruhen die Kenndaten für ein Holzvergaser-BHKW auf Zielwerten. Folgende Leistungsdaten weist ein Holzvergaser-BHKW auf: elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % thermischer Wirkungsgrad % Gesamteffizienz %

7 ORC-Anlage Der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ist vergleichbar mit einem Wasser-Dampf- Prozess. Im ORC-Prozess wird ein organisches Arbeitsmedium eingesetzt. Es handelt sich um Kohlenwasserstoffe wie z. B. Iso-Pentan, Iso-Oktan, Toluol oder Silkonöl. Sie weisen bei tiefen Temperaturen und Drücken günstigere Verdampfungseigenschaften wie Wasser auf, sodass mit dem ORC-Prozess besser Wärmequellen mit niedrigeren Temperaturniveaus wie z. B. Erdwärme (ca. 80 C bis 150 C) genutzt werden können. Die Auswahl des Arbeitsmediums ist auf einen optimalen Betrieb der ORC-Anlage auszurichten. Für Biomasse-Kraft- Wärme-Kopplungsanlagen ist Silikonöl geeignet. Zur Strom- und Wärmeerzeugung liefert ein Thermoölkessel mit Biomassefeuerung Wärme zur Verdampfung des Arbeitsmediums im ORC-Prozess. Der Dampf wird in einer langsamlaufenden Axialturbine entspannt, sodass sie den Generator direkt ohne Getriebe zur Stromerzeugung antreibt. Um den elektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen, erfolgt in einem Regenerator eine Wärmerückgewinnung des entspannten Dampfs. Im Kondensator wird die Wärme des Dampfs zu Heizzwecken abgeführt. Sie kann als Prozesswärme oder Fernwärme eingesetzt werden. Eine Pumpe fördert das Kondensat zum Verdampfer, sodass der ORC-Prozess geschlossen ist. Ein Thermoölkessel besitzt gegenüber dem Dampfkessel den Vorteil, dass hohe Temperaturen bei einem drucklosen Betrieb erreicht werden. Die Rauchgase der Biomassefeuerung können nach der Rauchgasreinigung in einen Rauchgaskondensator zur Wärmerückgewinnung zugeführt werden. Auch diese Wärme steht als Prozess- und Fernwärme zur Verfügung. Die Wärmerückgewinnung ist nach dem ORC- Prozess anzuordnen, damit durch eine niedrige Heißwasser-Austrittstemperatur ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad erreicht wird. Abbildung 1-2 Schema einer Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung mit ORC-Prozess (Quelle: BIOS Bioenergiesystem GmbH, Graz)

8 -8- Zur Verdampfung des Arbeitsmediums im ORC-Prozess beträgt die Vorlauftemperatur des Thermoöls ca. 300 C (Rücklauftemperatur etwa 250 C). Damit ergibt sich eine Vorlauftemperatur der ausgekoppelten Wärme von ca. 80 bis 100 C und eine Rücklauftemperatur von rund 55 bis 70 C. Mit diesen Temperaturniveaus ist ein elektrischer Wirkungsgrad von 17,7 % bei Nennlast möglich. Da solche Anlagen in der Regel aus wirtschaftlichen und energetischen Gründen wärmegeführt betrieben werden, beeinflusst das Teillastverhalten des ORC-Prozesses die Stromerzeugung. Durch die langsamlaufende Axialturbine und die thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmediums wird bei 40 % der Nennleistung noch 85 % des elektrischen Wirkungsgrads erreicht. Zwischen 10 und 100 % Nennlast ist ein kontinuierlicher Betrieb des ORC-Prozesses möglich. Der thermische Wirkungsgrad der Anlage beträgt ca. 80 %. Eine ORC-Anlage ist seit 1999 in Österreich in Betrieb, während zwei weitere 2001 und 2002 hinzukamen. Drei ORC-Anlagen sind derzeit in Deutschland installiert. In Heberndorf (Thüringen) wurde 2001/2002 eine ORC-Anlage mit 500 kw el in Heberndorf errichtet. Weitere ORC- Anlagen mit jeweils 500 kw el befinden sich in Friedland und Schwerstedt. Folgende Anlagendaten weist ein ORC-Prozess auf: elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad 14 % thermischer Wirkungsgrad 81 % Gesamteffizienz 95 %

9 Stirlingmotor Der Stirlingmotor arbeitet mit einem Arbeitsgas in einem geschlossenen Kreisprozess, das vom Verdichtungszylinder und Arbeitszylinder unter Wärmeabfuhr und Wärmezufuhr hin- und hergeschoben wird. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, wird die Wärme im Gegensatz zu Otto- und Dieselmotoren von außen zugeführt, sodass unterschiedliche Wärmequellen einsetzbar sind. Eine Biomassefeuerung liefert in dieser Untersuchung die notwendige Wärme. Technische Probleme der Materialbeanspruchung und die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen sind noch zu verbessern. Zur Zeit werden Pilotprojekte untersucht. Folgende Leistungsdaten weist ein Stirlingmotor mit Biomassefeuerung auf: elektrische Leistung bis 100 kw el thermische Leistung bis 500 kw th elektrischer Wirkungsgrad % thermischer Wirkungsgrad % Gesamteffizienz % Da nicht die vollständige Wärme des Biomassekessels zum Antrieb des Stirlingmotors genutzt wird, steht die übrige Wärme zusammen mit der Abwärme des Stirlingmotors zu Heizzwecken zur Verfügung.

10 Gegenüberstellung der Leistungsdaten Die charakteristischen Kenndaten der vorgestellten, technischen Systeme sind zum Vergleich in einer Tabelle aufgeführt. Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor elektrische Leistung kw el bis 100 thermische Leistung kw th bis 500 elektr. Wirkungsgrad % therm. Wirkungsgrad % Gesamteffizienz % Tabelle 1-1 Systemvergleich nach Leistungsdaten Die technischen Systeme decken verschiedene Leistungsbereiche ab, sodass sie abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall eingesetzt werden können. Neben den verschiedenen Leistungsbereichen bestehen zwischen den Wirkungsgraden und der Gesamteffizienz deutliche Unterschiede. Daraus ergeben sich verschiedene Einsatzbereiche der technischen Systeme. Zur Veranschaulichung sind die elektrischen Leistungsbereiche der technischen Systeme im folgenden Diagramm dargestellt. Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser-BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor elektrische Leistung in kw el Abbildung 1-3 Elektrische Leistungsbereiche der technischen Systeme

11 -11-2 Konzeption der technischen Systeme In einer Konzeption wird für jedes System ein beispielhafter Anwendungsfall zu Grunde gelegt. Für alle Anlagen werden Energiebilanzen aufgestellt, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanzen und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen basieren. Da sich bis auf Dampfmotoren und herkömmliche Dampfturbinen (Dampfturbine SPM ausgenommen) die genannten KWK-Anlagen noch in der Entwicklung befinden, sind die Leistungsdaten und Wirkungsgrade sowie die Vollbenutzungsstunden in der Energiebilanz als Zielwerte angesetzt. Für die Wirtschaftlichkeit wird zunächst angenommen, das alle KWK-Anlagen in einer vorhandenen Infrastruktur eines Betriebs installiert wird. Für die Dampfturbine und den Dampfmotor wird zusätzlich eine Neuanlage auf der grünen Wiese betrachtet. Für die Kohlendioxid-Emissionsbilanz ist zu beachten, dass die Verdrängung der Wärmeerzeugung in Heizwerken oder Heizkesseln zur einer Verminderung des Brennstoffeinsatzes und der zugehörigen CO 2 -Emission führt. Durch die unterschiedlichen, spezifischen CO 2 - Emissionen der fossilen und regenerativen Brennstoffe, stellen sich Unterschiede in der Kohlendioxid-Emissionsbilanz ein.

12 Konzeption der Dampfturbine SPM Die Dampfturbine Speed Power Module, die von der TU Dresden gemeinsam mit Industriepartnern u. a. AG KK&K entwickelt wird, wird als Anwendungsfall für die Untersuchung herangezogen. Die Energiebilanz ermittelt die Energie- und Brennstoffmengen, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Dampfturbine elektrische Leistung kw el 500 thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % 11 thermischer Wirkungsgrad % 63 Gesamteffizienz % 74 Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ 800 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Eigenbedarf elektrische Leistung kw el 100 Eigenbedarf elektrische Energie MWh el /a 800 Tabelle 2-1 Energiebilanz der Dampfturbine Die Kohlendioxid-Emissionsbilanz berücksichtigt außer dem Brennstoff- und Stromverbrauch auch die verdrängte Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft- und Heizwerken. Dampfturbine Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel MWh BSHu /a Eigenbedarf Strom MWh el /a 800 vermiedene Stromerzeugung MWh el /a vermiedene Wärmeerzeugung vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh th /a MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel kg CO 2 /MWh BS 58 spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh el 683 spez. CO 2 -Emission Erdgas kg CO 2 /MWh BS 254 CO 2 -Emission t CO 2 /a Tabelle 2-2 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der Dampfturbine

13 Konzeption des Dampfmotors Ein Dampfmotor des Unternehmens Spilling Energie Systeme GmbH wird als Anwendungsfall herangezogen. Die Energiebilanz ermittelt die Energie- und Brennstoffmengen, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Dampfmotor elektrische Leistung kw el 500 thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % 11 thermischer Wirkungsgrad % 63 Gesamteffizienz % 74 Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ 800 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Eigenbedarf elektrische Leistung kw el 105 Eigenbedarf elektrische Energie MWh el /a 840 Tabelle 2-3 Energiebilanz des Dampfmotors Die Kohlendioxid-Emissionsbilanz berücksichtigt außer dem Brennstoff- und Stromverbrauch auch die verdrängte Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft- und Heizwerken. Dampftmotor Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel MWh BSHu /a Eigenbedarf Strom MWh el /a 840 vermiedene Stromerzeugung MWh el /a vermiedene Wärmeerzeugung vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh th /a MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel kg CO 2 /MWh BS 58 spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh el 683 spez. CO 2 -Emission Erdgas kg CO 2 /MWh BS 254 CO 2 -Emission t CO 2 /a Tabelle 2-4 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Dampfmotors

14 Konzeption des Holzvergaser-BHKWs Die Energiebilanz ermittelt die Energie- und Brennstoffmengen, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. kw el Holzvergaser-BHKW elektrische Leistung Erzeugung elektrische Leistung Einspeisung kw el thermische Leistung kw th 915 elektrischer Wirkungsgrad % 28 thermischer Wirkungsgrad % 47 Gesamteffizienz % 75 Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Brennstoffbedarf Heizöl MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ 800 Heizwert Heizöl kwh Hu /l 9,95 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Brennstoffmenge Heizöl l/a Eigenbedarf thermische Energie MWh th /a Tabelle 2-5 Energiebilanz des Holzvergaser-BHKWs Die Kohlendioxid-Emissionsbilanz berücksichtigt außer dem Brennstoff- und Stromverbrauch auch die verdrängte Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft- und Heizwerken. Holzvergaser-BHKW Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel MWh BSHu /a Brennstoffbedarf Heizöl MWh BSHu /a vermiedene Stromerzeugung MWh el /a vermiedene Wärmeerzeugung vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh th /a MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel kg CO 2 /MWh BS 58 spez. CO 2 -Emission Heizöl kg CO 2 /MWh BS 318 spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh el 683 spez. CO 2 -Emission Erdgas kg CO 2 /MWh BS 254 CO 2 -Emission t CO 2 /a Tabelle 2-6 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Holzvergaser-BHKWs

15 Konzeption der ORC-Anlage Als ORC-Prozess wird die vorhandene Anlage der Holzindustrie STIA in Admont (Österreich) zu Grunde gelegt. Die Energiebilanz ermittelt die Energie- und Brennstoffmengen, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. ORC-Anlage elektrische Leistung kw el 400 thermische Leistung kw th elektrischer Wirkungsgrad % 14 thermischer Wirkungsgrad % 81 Gesamteffizienz % 95 Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ 800 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Eigenbedarf elektrische Leistung kw el 45 Eigenbedarf elektrische Energie MWh el /a 360 Tabelle 2-7 Energiebilanz der ORC-Anlage Die Kohlendioxid-Emissionsbilanz berücksichtigt außer dem Brennstoff- und Stromverbrauch auch die verdrängte Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft- und Heizwerken. ORC-Anlage Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel MWh BSHu /a vermiedene Stromerzeugung MWh el /a vermiedene Wärmeerzeugung vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh th /a MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel kg CO 2 /MWh BS 58 spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh el 683 spez. CO 2 -Emission Erdgas kg CO 2 /MWh BS 254 CO 2 -Emission t CO 2 /a Tabelle 2-8 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der ORC-Anlage

16 Konzeption des Stirlingmotors Ein Stirlingmotor des Unternehmens Mawera Holzfeuerungsanlagen Gesellschaft mbh wird herangezogen. Die Wirkungsgrade gelten für eine Anlage mit Luftvorwärmung. Die Energiebilanz ermittelt die Energie- und Brennstoffmengen, auf denen die Kohlendioxid- Emissionsbilanz und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung basieren. Stirlingmotor elektrische Leistung kw el 35 thermische Leistung kw th 225 elektrischer Wirkungsgrad % 12 thermischer Wirkungsgrad % 75 Gesamteffizienz % 87 Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a 280 thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ 800 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Eigenbedarf elektrische Leistung kw el 6 Eigenbedarf elektrische Energie MWh el /a 48 Tabelle 2-9 Energiebilanz des Stirlingmotors Die Kohlendioxid-Emissionsbilanz berücksichtigt außer dem Brennstoff- und Stromverbrauch auch die verdrängte Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft- und Heizwerken. Stirlingmotor Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel MWh BSHu /a vermiedene Stromerzeugung MWh el /a 280 vermiedene Wärmeerzeugung vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh th /a MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel kg CO 2 /MWh BS 58 spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh el 683 spez. CO 2 -Emission Erdgas kg CO 2 /MWh BS 254 CO 2 -Emission t CO 2 /a -531 Tabelle 2-10 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Stirlingmotors

17 -17-3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sind die Kapitalkosten aus Investitionskosten nach Herstellerangaben berechnet. Zusammen mit Verbrauchs- und Betriebskosten ergeben sich die jährlichen Kosten. Die Vergütung der Strom- und Wärmeerzeugung wird als jährliche Einnahme aufgeführt. Der Jahresüberschuss der einzelnen Systeme ergibt sich aus den Kosten und den Einnahmen. Rahmenbedingungen Bestimmung kapitalgebundene Kosten: Zinssatz 6 % Abschreibungsdauer (Lebensdauer) 15 Jahre Bestimmung verbrauchsgebundene Kosten: spez. Holzhackschnitzelpreis spez. Strompreis 4 /Sm³ 0,10 /kwh el Bestimmung betriebsgebundene Kosten: Wartung / Instandhaltung Dampfturbine 0,1-0,2 Ct/kWh el Wartung / Instandhaltung Dampfmotor 0,7 Ct/kWh el Wartung / Instandhaltung Holzvergaser-BHKW 2,5 Ct/kWh el Wartung / Instandhaltung ORC-Anlage 1,5 % der Investition (0,6 Ct/kWh el ) Wartung / Instandhaltung Stirlingmotor 2,0 Ct/kWh el Wartung / Instandhaltung Biomassekessel 2 % der Investition Personalkosten Dampfturbine (vorhandener Betrieb) 20 /h; h/a; 28 h/w Personalkosten Dampfturbine (Neuanlage) 4 Mannjahre; /Mannjahr Personalkosten Dampfmotor (vorhandener Betrieb) 20 /h; h/a; 28 h/w Personalkosten Dampfmotor (Neuanlage) 4 Mannjahre; /Mannjahr Personalkosten Holzvergaser-BHKW (vorh. Betrieb) 20 /h; h/a; 14 h/w Personalkosten ORC-Anlage (vorhandener Betrieb) 20 /h; h/a; 14 h/w Personalkosten Stirlingmotor (vorhandener Betrieb) 20 /h; h/a; 3 h/w

18 -18- Bestimmung Erlöse für Stromerzeugung: Nach dem EEG (Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien) erhalten KWK-Anlagen für Strom aus Biomasse bis einschließlich einer installierten elektrischen Leistung von 500 kw el mindestens 10,2 Ct/kWh el Stromvergütung. Die Mindestvergütung wird ab dem 01. Januar 2002 für mit diesem Zeitpunkt neu in Betrieb genommene Anlagen jährlich um jeweils einen Prozentpunkt herabgesetzt. In der Wirtschaftlichkeit wird eine Stromvergütung von 10 Ct/kWh el eingesetzt. Nach dem Entwurf vom zur Novellierung des EEG erhöht sich die Vergütung von KWK-Anlagen mit Biomassefeuerungen. Die Vergütungssätze unterscheiden sich je nach verwendeter Technik. Bestimmung Erlöse für Wärmebereitstellung: Anteil Wärmenutzung 50 % spez. Wärmepreis (Heizwerk mit fossilem Brennstoff) 3,5 Ct/kWh th Bestimmung Erlöse Holzkohlekoksverkauf (Holzvergaser-BHKW): spez. Holzkohlekokspreis 100 /t

19 Wirtschaftlichkeit Dampfturbine In der folgenden Tabelle ist die Wirtschaftlichkeit mit jährlichen Kosten und Einnahmen für die beiden Anwendungsfälle aufgeführt. Daraus berechnet sich der Jahresüberschuss und die statische Amortisation der KWK-Anlagen. Dampfturbine vorhandener Betrieb Dampfturbine Neuanlage elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th Investition spez. Investition /kw el Kapitalkosten /a Verbrauchskosten /a Betriebskosten /a Summe Kosten /a Gutschrift Stromvergütung /a Gutschrift Wärmevergütung /a Summe Einnahmen /a Jahresüberschuss /a statische Amortisation a 2,9 4,4 Tabelle 3-1 Wirtschaftlichkeit Dampfturbine Der Jahresüberschuss beträgt für eine Dampfturbine in einem vorhandenen Betrieb ca /a, sodass sich eine statische Amortisation von 2,9 Jahren ergibt. Mit rund /a ist der Jahresüberschuss für eine Neuanlage geringer. Sie amortisiert sich in 4,4 Jahren.

20 Wirtschaftlichkeit Dampfmotor Die Tabelle stellt die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeit mit den jährlichen Kosten und Einnahmen für beide Anwendungsfälle zusammen. Daraus sind der Jahresüberschuss und die statische Amortisation berechnet. Dampfmotor vorhandener Betrieb Dampfmotor Neuanlage elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th Investition spez. Investition /kw el Kapitalkosten /a Verbrauchskosten /a Betriebskosten /a Summe Kosten /a Gutschrift Stromvergütung /a Gutschrift Wärmevergütung /a Summe Einnahmen /a Jahresüberschuss /a statische Amortisation a 3,7 5,8 Tabelle 3-2 Wirtschaftlichkeit Dampfmotor Für einen Dampfmotor in einem vorhandenen Betrieb ergibt sich ein Jahresüberschuss von etwa /a, sodass er sich in 3,7 Jahren amortisiert. Als Neuanlage beträgt der jährliche Überschuss ca /a mit einer statischen Amortisation von 5,8 Jahren.

21 Wirtschaftlichkeit Holzvergaser-BHKW Die Tabelle führt die jährlichen Kosten und Einnahmen mit den daraus resultierendem Jahresüberschuss und der statischen Amortisation auf. Holzvergaser-BHKW vorhandener Betrieb elektrische Leistung kw el 500 thermische Leistung kw th 915 Investition spez. Investition /kw el Kapitalkosten /a Verbrauchskosten /a Betriebskosten /a Summe Kosten /a Gutschrift Stromvergütung /a Gutschrift Wärmevergütung /a Gutschrift Holzkohlekoksverkauf /a Summe Einnahmen /a Jahresüberschuss /a statische Amortisation a 4,5 Tabelle 3-3 Wirtschaftlichkeit Holzvergaser-BHKW Die Jahreskosten eines Holzvergaser-BHKWs in einem vorhandenen Betrieb betragen rund /a. Es ergibt sich eine zugehörige Amortisation von 4,5 Jahren.

22 Wirtschaftlichkeit ORC-Anlage In der folgenden Tabelle ist die Wirtschaftlichkeit mit jährlichen Kosten und Einnahmen aufgeführt. Daraus berechnet sich der Jahresüberschuss und die statische Amortisation der Anlage. ORC-Anlage vorhandener Betrieb elektrische Leistung kw el 400 thermische Leistung kw th Investition spez. Investition /kw el Kapitalkosten /a Verbrauchskosten /a Betriebskosten /a Summe Kosten /a Gutschrift Stromvergütung /a Gutschrift Wärmevergütung /a Summe Einnahmen /a Jahresüberschuss /a statische Amortisation a 2,0 Tabelle 3-4 Wirtschaftlichkeit ORC-Anlage Für eine ORC-Anlage in einem vorhandenen Betrieb ergibt sich ein Jahresüberschuss von etwa /a. Die Amortisation beträgt 2,0 Jahre.

23 Wirtschaftlichkeit Stirlingmotor Die Tabelle führt die jährlichen Kosten und Einnahmen mit den daraus resultierendem Jahresüberschuss und der statischen Amortisation für den Anwendungsfall vorhandener Betrieb auf. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen elektrischen Leistung wird keine Neuanlage betrachtet. Stirlingmotor vorhandener Betrieb elektrische Leistung kw el 35 thermische Leistung kw th 225 Investition spez. Investition /kw el Kapitalkosten /a Verbrauchskosten /a Betriebskosten /a Summe Kosten /a Gutschrift Stromvergütung /a Gutschrift Wärmevergütung /a Summe Einnahmen /a Jahresüberschuss /a statische Amortisation a 8,8 Tabelle 3-5 Wirtschaftlichkeit Stirlingmotor Ein Stirlingmotor in einem vorhandenen Betrieb erwirtschaftet unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen einen Jahresüberschuss von ca /a. Die zugehörige statische Amortisation beträgt 8,8 Jahre.

24 -24-4 Gegenüberstellung der technischen Systeme In der Gegenüberstellung der technischen Systeme werden die Energiebilanzen, die Kohlendioxid-Emissionsbilanzen und die Wirtschaftlichkeit zusammengefasst. Es werden alle vorgestellten Systeme verglichen. 4.1 Gegenüberstellung der Energiebilanzen Die Energiebilanz gibt die umgesetzten Energie- und Brennstoffmengen der einzelnen Anlagen an. Sie dient als Grundlage für die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Dampfmotor Dampfturbine Holzvergaser- BHKW ORC- Anlage Stirlingmotor elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektr. Wirkungsgrad % therm. Wirkungsgrad % Gesamteffizienz % Vollbenutzungsstunden h/a elektrische Energie MWh el /a thermische Energie MWh th /a Brennstoffbedarf HHS MWh BSHu /a Brennstoffbedarf Heizöl MWh BSHu /a Heizwert HHS kwh Hu /Sm³ Heizwert Heizöl kwh Hu /l 9,95 Brennstoffmenge HHS Sm³/a Brennstoffmenge Heizöl l/a Eigenbedarf elektrische Leistung Eigenbedarf elektrische Energie Eigenbedarf thermische Energie kw el MWh el /a MWh th /a Tabelle 4-1 Energiebilanz der technischen Systeme 1 Abdeckung Eigenbedarf an Strom intern durch Holzvergaser-BHKW

25 Gegenüberstellung der Kohlendioxid-Emissionsbilanzen Mit dem Brennstoffbedarf, den die Energiebilanz ermittelte, werden die Kohlendioxid- Emissionen der einzelnen Systeme für den ausgewählten Anwendungsfall berechnet. Unter Anrechnung der CO 2 -Neutralität der Biomasse Holz und unter der Berücksichtigung der zur Herstellung sowie Transport der Holzhackschnitzel benötigten Energie ergibt sich für die Holzhackschnitzel eine spezifische Kohlendioxid-Emission von 58 g CO 2 /kwh BS. In der Tabelle sind die jährlichen Kohlendioxid-Emissionen aufgelistet. Dampfmotor Dampfturbine Holzvergaser- BHKW ORC Stirlingmotor Brennstoffbedarf Holzhackschnitzel Brennstoffbedarf Heizöl MWh BSHu /a MWh BSHu /a Eigenbedarf Strom MWh el /a vermiedene Stromerzeugung MWh el /a vermiedene Wärmeerzeugung MWh th /a vermiedener Brennstoffbedarf Erdgas MWh BSHu /a spez. CO 2 -Emission Holzhackschnitzel spez. CO 2 -Emission Heizöl spez. CO 2 -Emission Strom kg CO 2 /MWh BS kg CO 2 /MWh BS 318 kg CO 2 /MWh el CO 2 -Emission t CO 2 /a spez. CO 2 -Emission t CO 2 /MWh el -1,7-1,7-0,6-1,8-1,9 spez. CO 2 -Emission t CO 2 /MWh th -0,3-0,3-0,8-0,3-0,3 Tabelle 4-2 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der technischen Systeme Aufgrund der Verdrängung der Stromerzeugung in Kraftwerken und der Wärmeerzeugung in einem Heizwerk wird global betrachtet mehr Kohlendioxidemissionen eingespart, als von der jeweiligen Anlage vor Ort emittiert wird, sodass diese KWK-Systeme zu einer Reduzierung der CO 2 -Emissionen beitragen.

26 Gegenüberstellung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen mit Sensitivitätsbetrachtung Zusätzlich zur Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der technischen Systeme für den Anwendungsfall vorhandener Betrieb und Neuanlage werden die Vollbenutzungsstunden, die Holzhackschnitzelpreise und der Anteil der Wärmenutzung in einer Sensitivitätsbetrachtung variiert. Dies ermöglicht dann eine Einschätzung der notwendigen Rahmenbedingungen, um die jeweilige KWK-Anlage wirtschaftlich betreiben zu können. In der Wirtschaftlichkeit sind u. a. folgende Rahmenbedingungen zu Grunde gelegt. Vollbenutzungsstunden: h/a Holzhackschnitzelpreis: 4 /Sm³ Anteil der Wärmenutzung: 50 % Die genannten Parameter werden in der Sensitivitätsbetrachtung wie folgt variiert. Vollbenutzungsstunden: h/a h/a Holzhackschnitzelpreis: 0 /Sm³... 9 /Sm³ Anteil der Wärmenutzung: 0 % % Als Ergebnis der Sensitivitätsbetrachtung ist die Amortisation in Jahren angegeben. In Form von Diagrammen sind die Ergebnisse für die technischen Systeme dargestellt. Die zugehörigen Werte zum Jahresüberschuss und zur statischen Amortisation können aus den entsprechenden Tabellen im Anhang entnommen werden. Die folgenden Diagramme zu jeder KWK-Anlage stellen die Amortisation für die variierten Parameter dar. Es sind die Ergebnisse der beiden Anwendungsfälle KWK-Anlage in vorhandenem Betrieb und KWK-Anlage als Neuanlage in Form von Kurven aufgetragen.

27 -27- Dampfturbine Vollbenutzungsstunden: h/a h/a h/a HHS-Preis : 0 /Sm³... 4 /Sm³... 9 /Sm³ Wärmenutzung : 0 % % % Amortisation in a Veränderung in % Vollbenutzungsstunden vorhandener Betrieb Wärmenutzung vorhandener Betrieb HHS-Preis vorhandener Betrieb Vollbenutzungsstunden Neuanlage Wärmenutzung Neuanlage HHS-Preis Neuanlage Abbildung 4-1 Sensitivität der Amortisation für Dampfturbine Dampfmotor Vollbenutzungsstunden: h/a h/a h/a HHS-Preis : 0 /Sm³... 4 /Sm³... 9 /Sm³ Wärmenutzung : 0 % 50 % 100 % Amortisation in a Veränderung in % Vollbenutzungsstunden vorhandener Betrieb Wärmenutzung vorhandener Betrieb HHS-Preis vorhandener Betrieb Vollbenutzungsstunden Neuanlage HHS-Preis Neuanlage Wärmenutzung Neuanlage Abbildung 4-2 Sensitivität der Amortisation für Dampfmotor

28 -28- Holzvergaser-BHKW Vollbenutzungsstunden: h/a h/a h/a HHS-Preis : 0 /Sm³... 0 /Sm³... 9 /Sm³ Wärmenutzung : 0 % % % Amortisation in a Veränderung in % Vollbenutzungsstunden vorhandener Betrieb Wärmenutzung vorhandener Betrieb HHS-Preis vorhandener Betrieb Abbildung 4-3 Sensitivität der Amortisation für Holzvergaser-BHKW ORC-Anlage Vollbenutzungsstunden: h/a h/a h/a HHS-Preis : 0 /Sm³... 4 /Sm³... 9 /Sm³ Wärmenutzung : 0 % % % Amortisation in a Veränderung in % Vollbenutzungsstunden vorhandener Betrieb Wärmenutzung vorhandener Betrieb HHS-Preis vorhandener Betrieb Abbildung 4-4 Sensitivität der Amortisation für ORC-Anlage

29 -29- Stirlingmotor Vollbenutzungsstunden: h/a h/a h/a HHS-Preis : 0 /Sm³... 4 /Sm³... 9 /Sm³ Wärmenutzung : 0 % % % Amortisation in a Veränderung in % Vollbenutzungsstunden vorhandener Betrieb HHS-Preis vorhandener Betrieb Wärmenutzung vorhandener Betrieb Abbildung 4-5 Sensitivität der Amortisation für Stirlingmotor Je größer die Steigung der Kurve ist, desto höher ist der Einfluss des zugehörigen Parameters auf die Amortisation, sodass sich auf die einzelnen KWK-Anlagen unterschiedliche Einflussmöglichkeiten ergeben. Folgende Rahmenbedingungen sind für die einzelnen Techniken erforderlich, um diese wirtschaftlich betreiben zu können. Dampfturbine: Wärmenutzung erforderlich hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz im Mix mit zugekauftem Industrierestholz Dampfmotor: Wärmenutzung erforderlich hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz im Mix mit zugekauftem Industrierestholz

30 -30- Holzvergaser-BHKW: Wärmenutzung wünschenswert hohe Vollbenutzungsstunden Industrierestholz oder zugekauftes Industrierestholz ORC-Anlage: Wärmenutzung wünschenswert hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz oder zugekauftes Industrierestholz im Mix auch mit Waldholz Stirlingmotor: Wärmenutzung zwingend erforderlich sehr hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz aufgrund des kleinen Leistungsbereichs für kleinere dezentrale Anwendungsfälle geeignet und dadurch häufiger einsetzbar

31 -31-5 Zusammenfassung Die Studie untersuchte dezentrale Techniken zur Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse in kleinen Leistungsbereichen. Folgende technischen Systeme wurden vorgestellt und vergleichend bewertet: Dampfturbine (Speed Power Module) Dampfmotor Holzvergaser-BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor Die Bewertung erfolgte in Hinblick auf den technischen Entwicklungsstand, den Einsatzbereich, der Effizienz und der Wirtschaftlichkeit. Dazu wurden z. T. vorhandene Anlagen als beispielhafte Anwendungsfälle herangezogen. Folgende technische Systeme wurden mit den aufgeführten Kenndaten für den Vergleich zu Grunde gelegt. Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor elektrische Leistung kw el bis 100 thermische Leistung kw th bis 500 elektr. Wirkungsgrad % therm. Wirkungsgrad % Gesamteffizienz % Tabelle 5-1 Kenndaten der technischen Systeme Aus diesen Anlagen wurde für die weitere Untersuchung jeweils ein Anwendungsfall ausgewählt. Diese sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC- Anlage Stirlingmotor KK&K Spilling STIA Mawera elektrische Leistung kw el thermische Leistung kw th elektr. Wirkungsgrad % therm. Wirkungsgrad % Gesamteffizienz % Vollbenutzungsstunden h/a Tabelle 5-2 Kenndaten der Anwendungsfälle

32 -32- Auf der Energiebilanz basierte eine Kohlendioxid-Emissionsbilanz zur ökologischen Bewertung der technischen Systeme. Alle KWK-Anlagen tragen zu einer Reduzierung der CO 2 - Emissionen bei, da sie aufgrund der Verdrängung von Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftbzw. Heizwerken global gesehen mehr Kohlendioxid einsparen als sie vor Ort emittieren. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ermittelte die jährlichen Kosten und Einnahmen für jedes System. Ergänzend zum Jahresüberschuss wird die statische Amortisation der KWK-Anlagen angegeben. Für die Wirtschaftlichkeit wurde zunächst angenommen, das alle KWK-Anlagen in einer vorhandenen Infrastruktur eines Betriebs installiert wird. Für die Dampfturbine und den Dampfmotor wurde zusätzlich eine Neuanlage auf der grünen Wiese betrachtet. Eine Dampfturbine (Speed Power Module) mit 500 kw el erzielt einen Jahresüberschuss von etwa /a (vorhandener Betrieb) bzw /a (Neuanlage). Die zugehörige statische Amortisation beträgt 2,9 Jahre bzw. 4,4 Jahre. Für den betrachteten Dampfmotor mit 500 kw el ergibt sich ein Jahresüberschuss von ca /a (vorhandener Betrieb) bzw /a (Neuanlage). Die statische Amortisation berechnet sich zu 3,7 Jahren bzw. 5,8 Jahren. Ein Holzvergaser-BHKW mit einer elektrischen Leistung von 500 kw el erreicht einen Jahresüberschuss von ca /a (vorhandener Betrieb). Daraus ergibt sich eine statische A- mortisation von etwa 4,5 Jahren. Ein Jahresüberschuss beträgt nach den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, die in der Studie festgelegt wurden, für die ORC-Anlage mit 400 kw el in der Holzindustrie STIA in Admont / Österreich (EU-Thermie-Projekt Admont) rund /a (vorhandener Betrieb). Als statische Amortisation wurden 2,0 Jahre ermittelt. Der Stirlingmotor mit 35 kw el erwirtschaftet unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen einen Jahresüberschuss von etwa /a (vorhandener Betrieb). Die zugehörige statische Amortisation beträgt 8,8 Jahre. In einer weiteren Betrachtung wurden unterschiedliche Anwendungsfälle untersucht, die durch verschiedene Vollbenutzungsstunden, Holzhackschnitzelpreise und verschiedene Anteile der Wärmenutzung charakterisiert sind. In Diagrammen sind die Ergebnisse für jede KWK-Anlage dargestellt, sodass dies eine Einschätzung der notwendigen Rahmenbedingungen für einen wirtschaftlichen Betrieb der KWK-Anlage ermöglicht.

33 -33- Folgende Rahmenbedingungen sind für die einzelnen Techniken erforderlich, um diese wirtschaftlich betreiben zu können. Dampfturbine: Wärmenutzung erforderlich hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz im Mix mit zugekauftem Industrierestholz Dampfmotor: Wärmenutzung erforderlich hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz im Mix mit zugekauftem Industrierestholz Holzvergaser-BHKW: Wärmenutzung wünschenswert hohe Vollbenutzungsstunden Industrierestholz oder zugekauftes Industrierestholz ORC-Anlage: Wärmenutzung wünschenswert hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz oder zugekauftes Industrierestholz im Mix auch mit Waldholz Stirlingmotor: Wärmenutzung zwingend erforderlich sehr hohe Vollbenutzungsstunden vorhandenes Industrierestholz aufgrund des kleinen Leistungsbereichs für kleinere dezentrale Anwendungsfälle geeignet und dadurch häufiger einsetzbar Fazit Der Einsatz einer bestimmten KWK-Anlage, die Biomasse zur Strom- und Wärmeerzeugung einsetzt, richtet sich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Die Dampfprozesse stellen sich nicht als Konkurrenz zu den übrigen KWK-Anlagen dar, da sie aufgrund verschiedener Techniken und Rahmenbedingungen nicht für alle Einsatzfälle geeignet sind. Für den Einsatz einer KWK-Anlage, die aus Biomasse Strom- und Wärme erzeugt, ist ein hoher elektrischer Wirkungsgrad und hohe Vollbenutzungsstunden entscheidend. Außerdem stellt eine hohe Wärmenutzung und deren Vergütung eine wichtige Komponente in der Wirtschaftlichkeit dar. Es ist für alle KWK-Anlagen sinnvoll, die erzeugte Wärme zu nutzen.

34 -34-6 Anhang statische Amortisation von KWK-Anlage in vorhandenem Betrieb Vollbenutzungsstunden in h/a Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor ,7 6,1 7,2 3,2 14, ,9 5,0 6,0 2,7 12, ,3 4,3 5,1 2,3 10, ,9 3,7 4,5 2,0 8, ,7 3,5 4,2 1,9 8,3 Holzhackschnitzelpreis in /Sm³ Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor 0 2,1 2,7 3,6 1,6 6,5 1 2,3 2,9 3,8 1,7 6,9 2 2,5 3,1 4,0 1,8 7,5 3 2,7 3,4 4,2 1,9 8, ,9 3,7 4,5 2,0 8,8 5 3,2 4,1 4,8 2,1 9,7 6 3,5 4,6 5,1 2,3 10,8 7 4,0 5,2 5,5 2,4 12,2 8 4,5 6,0 6,0 2,6 14,0 9 5,3 7,0 6,6 2,9 16,3 Wärmenutzung in % Dampfturbine Dampfmotor Holzvergaser- BHKW ORC-Anlage Stirlingmotor 0 16,6 28,5 5,6 6, ,5 25 4,9 6,6 5,0 3,0 17, ,9 3,7 4,5 2,0 8,8 75 2,1 2,6 4,1 1,5 5, ,6 2,0 3,8 1,2 4,4 2 In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung als Rahmenbedingung zu Grunde gelegt.

35 -35- statische Amortisation von KWK-Anlage als Neuanlage Vollbenutzungsstunden in h/a Dampfturbine Dampfmotor ,5 16, ,5 10, ,5 7, ,4 5, ,0 5,3 Holzhackschnitzelpreis in /Sm³ Dampfturbine Dampfmotor 0 2,9 3,7 1 3,1 4,0 2 3,5 4,5 3 3,9 5, ,4 5,8 5 5,1 6,8 6 6,0 8,2 7 7,4 10,4 8 9,6 14,1 9 13,6 21,8 Wärmenutzung in % 0 Dampfturbine Dampfmotor 25 11,8 18, ,4 5,8 75 2,7 3, ,0 2,5 3 In der Wirtschaftlichkeit als Rahmenbedingung zu Grunde gelegt.

36 -36- Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1 Anlagenschema eines Dampfmotors mit holzbefeuerten Dampfkessel (Quelle: Spilling Energie System GmbH)... 5 Abbildung 1-2 Schema einer Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung mit ORC-Prozess (Quelle: BIOS Bioenergiesystem GmbH, Graz)... 7 Abbildung 1-3 Elektrische Leistungsbereiche der technischen Systeme Abbildung 4-1 Sensitivität der Amortisation für Dampfturbine Abbildung 4-2 Sensitivität der Amortisation für Dampfmotor Abbildung 4-3 Sensitivität der Amortisation für Holzvergaser-BHKW Abbildung 4-4 Sensitivität der Amortisation für ORC-Anlage Abbildung 4-5 Sensitivität der Amortisation für Stirlingmotor Tabellenverzeichnis Tabelle 1-1 Systemvergleich nach Leistungsdaten Tabelle 2-1 Energiebilanz der Dampfturbine Tabelle 2-2 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der Dampfturbine Tabelle 2-3 Energiebilanz des Dampfmotors Tabelle 2-4 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Dampfmotors Tabelle 2-5 Energiebilanz des Holzvergaser-BHKWs Tabelle 2-6 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Holzvergaser-BHKWs Tabelle 2-7 Energiebilanz der ORC-Anlage Tabelle 2-8 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der ORC-Anlage Tabelle 2-9 Energiebilanz des Stirlingmotors Tabelle 2-10 Kohlendioxid-Emissionsbilanz des Stirlingmotors Tabelle 3-1 Wirtschaftlichkeit Dampfturbine Tabelle 3-2 Wirtschaftlichkeit Dampfmotor Tabelle 3-3 Wirtschaftlichkeit Holzvergaser-BHKW Tabelle 3-4 Wirtschaftlichkeit ORC-Anlage Tabelle 3-5 Wirtschaftlichkeit Stirlingmotor Tabelle 4-1 Energiebilanz der technischen Systeme Tabelle 4-2 Kohlendioxid-Emissionsbilanz der technischen Systeme Tabelle 5-1 Kenndaten der technischen Systeme Tabelle 5-2 Kenndaten der Anwendungsfälle... 31